用于海洋工程领域的动力定位系统仿真平台及其工作方法

摘要

本发明公开了一种用于海洋工程领域的动力定位系统的仿真平台及其工作方法，所述的平台包括虚拟仿真平台、显控台、数字仿真平台和数字投影装置。所述的虚拟仿真平台分别与显控台和数字仿真平台连接；所述的显控台与数字仿真平台双向连接；所述的虚拟仿真平台、显控台和数字仿真平台之间通过TCP/IP通信实现数据交换。由于本发明属纯数字仿真平台，且在船舶动力定位仿真系统及数字仿真平台的基础上，增加了显控台和虚拟仿真平台，用户只需输入相应的模型参数即可进行控制算法的验证研究，简单易用；本发明的动力定位船舶或其它海上浮式平台的运行状态可以同时以三维动画和历时曲线形式形象逼真地在大屏幕上投影显示，仿真效果直观、逼真。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程领域的仿真技术，是一种应用于海洋工程领域的动力 定位系统仿真平台及其工作方法，更具体地说可应用于船舶或海上浮式平台(如 钻井平台等)动力定位(DP)系统控制算法的仿真验证、DP操作人员培训及其 资格认证考试等。

背景技术

随着经济的发展，陆地资源已不能满足人类对能源资源的需求。在新能源 还不能取代传统能源之前，人类将目光投向了资源广阔的海洋。随着人们向深 海远海的进军，传统的锚泊系统已不能满足生产的需要，新型动力定位系统的 研发迫在眉睫。然而船舶动力定位系统实船实验具有造价昂贵、实验的危险性 大和耗费时间长等问题，因此仿真是一种特别有效的研究手段。利用仿真技术 可以减少实验次数，缩短研究周期，节省研究经费。

中国专利CN 103592853 A公开了一种动力定位半实物仿真平台。该平台 由控制台、仿真工作站、可视化工作站组成，并通过局域网连接进行数据的交 换；控制台装载控制计算机；仿真工作站由海洋环境模块、传感器模块、船舶 模块组成；可视化工作站通过视频线连接显示仿真信息的投影机构。控制台设 置控制指令，控制指令发送给动力定位控制软件；仿真工作站中海洋环境模块 设定海况信息，传感器模块将海况信息送给船舶模块和动力定位系统控制软件； 动力定位控制软件根据海况信息和控制指令进行运算，得出各个推进器的控制 指令，并作用于仿真工作站中船舶模块，得到船舶状态信息，将状态信息送给 传感器模块；传感器模块把当前船舶状态信息送给动力定位控制软件，动力定 位控制软件处理后将船舶状态信息送可视化工作站，可视化工作站通过投影机 构进行投影仿真。

中国专利CN 103576694 A公开了一种动力定位船的半实物仿真系统。该仿 真系统包括仿真计算机、数据处理模块、控制模块和半实物系统组成，半实物 系统由三自由度仿真实验平台、六自由度运动装置、传感器模块和数据接受机 组成；传感器模块包括GPS模块、罗经和MRU，传感器模块安装在六自由度运 动装置上，三自由度仿真实验平台安装在六自由度运动装置上；仿真计算机包 括船舶模型仿真模块、平台控制模块、摇摆台控制模块和故障模拟模块。仿真 计算机将船舶位置和姿态信息、故障信息发送到数据接收机上；数据接收机接 收仿真计算机信息后将船舶纵荡、横荡和艏摇信息送给三自由度仿真平台，将 横摇、纵摇和升沉信息发送给六自由度运行装置；三自由度仿真平台根据接收 信息模拟船舶纵荡、横荡和艏摇运行状态，六自由度运行装置根据接收信息模 拟船舶横摇、纵摇和升沉运行状态；传感器模块根据检测三自由度仿真平台和 六自由度运行装置得到船舶运行状态信息，并将船舶运行状态信息送给数据处 理模块；控制模块根据数据处理模块发送的数据向仿真计算机反馈控制信号， 分别对半实物系统进行跟踪校正和对仿真系统进行控制。

中国专利CN 103645642 A公开了一种船舶动力定位的运行仿真平台，该仿 真平台由船舶动力定位系统模型的设置和测试模块、船舶算法加载与测试模块、 船舶动力定位系统数学模型模块和船舶动力定位系统曲线显示界面组成。通过 船舶模型的设置与测试模块建立船舶数学模型，并通过Z型实验等检测动力定 位船舶数学模型的精确性；获得精确的船舶数学模型后，通过控制算法加载与 测试模块加载需要测试的控制算法，并设定船舶航行环境、船舶转向点等仿真 条件，对加载的控制算法进行控制仿真，仿真结果以曲线形式显示。

专利CN 103592853 A与专利CN 103576694 A分别描述了一种动力定位半 实物仿真平台。动力定位半实物仿真平台的研发需要一定的经济条件，而一般 的研究人员和实验室不具备相应的条件。专利CN 103645642 A描述了一种动力 定位动态仿真系统，要求在VC开发平台下建立动态链接库，将拟在该仿真系统 上检验的控制算法以动态链接库的形式加载到仿真系统中，而这要求使用者具 备较强的VC编程能力，不便于使用；另一方面，专利CN 103645642 A仅用历 时曲线的形式显示船舶的运行状态，不能直观逼真地展现船舶的运行状态，且 该专利仅能进行动力定位控制算法的仿真验证。

综上，现有的动力定位系统仿真平台存在如下问题：(1)半实物仿真平台 造价昂贵；(2)动态仿真系统功能简单；(3)对用户编程能力要求高；(4)仿 真结果的展现不直观、不逼真。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种具有功能全面、造价 低廉、使用简单方便等特点，且可直观逼真地展现动力定位系统的实际运行状 态的用于海洋工程领域的动力定位系统仿真平台及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于海洋工程领域的动 力定位系统的仿真平台，包括虚拟仿真平台、显控台、数字仿真平台和数字投 影装置。所述的虚拟仿真平台分别与显控台的输出端和数字仿真平台的输出端 连接；所述的显控台与数字仿真平台双向连接；所述的虚拟仿真平台还与数字 投影装置的输入端连接；所述的虚拟仿真平台、显控台和数字仿真平台均为独 立的计算机。

所述的虚拟仿真平台、显控台和数字仿真平台之间通过TCP/IP通信实现数 据交换。数字仿真平台分别向虚拟仿真平台和显控台打包发送仿真数据包A和 仿真数据包B，仿真数据包A包括船舶或海上浮式平台位置、艏向、推进装置 控制力与力矩仿真结果数据，仿真数据包B包括船舶或海上浮式平台位置、艏 向、推进装置控制力与力矩、报警信息。虚拟仿真平台通过Vega程序设计运行 获得动力定位的三维海洋虚拟仿真环境场景，其中仿真环境场景包括利用 Creator软件建立的动力定位船舶和钻井平台的三维虚拟模型。虚拟仿真平台提 供两种虚拟仿真模式：一种模式为非历时曲线模式，在该模式下只进行动力定 位三维虚拟场景仿真，另一种模式为历时曲线模式，在该模式下进行三维虚拟 场景仿真的同时，显示船舶或海上浮式平台运行状态历时曲线，所述的船舶或 海上浮式平台状态包括船舶或海上浮式平台位置、艏向以及推进装置输出力与 力矩；显控台发送的显示控制指令实现上述两种虚拟仿真模式之间的切换。

所述的显控台具有指令设定和数据显示功能，其操纵界面提供报警模块、 参数模块、地图模块、手动模块、功率模块、传感器模块、路线模块、参考系 统模块、目标跟踪模块、定位能力分析模块、故障分析模块和趋势图模块。

所述的数字仿真平台采用Matlab与VC混合编程方法，实现数值模拟计算 仿真的功能。数字仿真平台包括海洋环境模块、故障模拟模块以及动力定位船 舶及海上浮式平台运动模块。

一种用于海洋工程领域的动力定位系统的仿真平台的工作方法，包括以下 步骤：

A、对仿真平台进行程序初始化，初始化包括加载控制算法和构建虚拟海洋 环境；

B、显控台设定虚拟仿真平台的显示控制指令和数字仿真平台的仿真参数；

C、数字仿真平台根据接收显控台参数运行海洋扰动模块，并将海洋扰动仿 真数据打包发送给虚拟仿真平台；

数字仿真平台根据显控台参数指令选择是否开启自动模式，若开启自动模 式，则转步骤C1；否则，转步骤C2；

C1、加载控制算法与数字仿真平台构成闭环回路，在当前工况下开始进行 自动模式数值仿真模拟计算；转步骤D；

C2、当前模式为手动模式，通过显控台设置控制指令，数字仿真平台接收 显控台控制指令在当前工况下开始手动模式数值仿真模拟计算。

D、数字仿真平台将仿真数据包B打包发送给显控台，仿真数据包B包括 船舶或海上浮式平台位置、艏向、推进装置输出力与力矩以及报警信号，显控 台根据接收的数据进行相应的数据显示；同时，数字仿真平台将仿真数据包A 打包发送给虚拟仿真平台，仿真数据包A包括船舶或海上浮式平台位置、艏向、 推进装置输出力与力矩，虚拟仿真平台根据接收的数据进行三维虚拟仿真。

E、数字仿真平台和虚拟仿真平台根据显控台控制指令选择是否改变当前工 况，若是，则通过显控台设置虚拟仿真平台和数字仿真平台的控制指令，进行 新一轮的运行；否则，判断是否退出仿真程序，若不退出程序则根据显控台控 制指令判断是否开启自动模式，进行新一轮的运行，否则退出程序，结束仿真。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明属纯数字仿真平台，且在船舶动力定位仿真系统及数字仿真 平台的基础上，增加了显控台和虚拟仿真平台。另一方面，用Matlab建立包括 海洋扰动模块、动力定位船舶或海上浮式平台运动模块及故障模拟模块的动力 定位系统仿真模型，用户只需用Matlab实现拟测试的动力定位控制算法，直接 加载到动力定位系统仿真模型中，并输入相应的模型参数即可进行控制算法的 验证研究，故该仿真平台简单易用。

2、在数字仿真平台上，本发明采用VC与Matlab混合编程方法，通过VC 开发平台获取Matlab的仿真结果数据，并通过TCP/IP通信向虚拟仿真平台传输 仿真结果数据，虚拟仿真平台使用Vega和Creator等三维虚拟仿真技术，使动 力定位船舶或其它海上浮式平台的运行状态可以同时以三维动画和历时曲线形 式形象逼真地在大屏幕上投影显示，仿真效果直观、逼真。

3、本发明在显控台的参数模块界面上设置各种海洋环境参数、船舶或海上 浮式平台的动态模型参数、控制目标以及各种故障模拟等信息，并传输给数字 仿真平台，本发明在数字仿真平台上接收上述参数信息，通过Matlab仿真程序 即可模拟各种自然海况条件下的动力定位系统的操控，为船舶或海上浮式平台 动力定位系统控制算法的仿真验证提供了研究平台；且通过故障模拟模块可模 拟不同的故障模式，从而可实现动力定位系统容错性检验的目的；还可用于DP 操作人员的培训及资格认证考试等。可见，该仿真平台功能更全面。

4、本发明由三台计算机组成，不需要其它设备，大大降低了实船海试、模 型试验和半实物仿真的成本，造价低廉。

附图说明

本发明共有附图4张，其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是虚拟仿真平台程序框图。

图3是数字仿真平台程序框图。

图4本发明的流程图。

图中：1、虚拟仿真平台，2、显控台，3、数字仿真平台，4、数字投影装 置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种用于海洋工 程领域的动力定位系统的仿真平台，包括虚拟仿真平台1、显控台2、数字仿真 平台3和数字投影装置4。所述的虚拟仿真平台1分别与显控台2的输出端和数 字仿真平台3的输出端连接；所述的显控台2与数字仿真平台3双向连接；所 述的虚拟仿真平台1还与数字投影装置4的输入端连接；所述的虚拟仿真平台1、 显控台2和数字仿真平台3均为独立的计算机。

所述的虚拟仿真平台1、显控台2和数字仿真平台3之间通过TCP/IP通信 实现数据交换。数字仿真平台3分别向虚拟仿真平台1和显控台2打包发送仿 真数据包A和仿真数据包B，仿真数据包A包括船舶或海上浮式平台位置、艏 向、推进装置控制力与力矩仿真结果数据，仿真数据包B包括船舶或海上浮式 平台位置、艏向、推进装置控制力与力矩、报警信息。虚拟仿真平台1通过Vega 程序设计运行获得动力定位的三维海洋虚拟仿真环境场景，其中仿真环境场景 包括利用Creator软件建立的动力定位船舶和钻井平台的三维虚拟模型。虚拟仿 真平台1提供两种虚拟仿真模式：一种模式为非历时曲线模式，在该模式下只 进行动力定位三维虚拟场景仿真，另一种模式为历时曲线模式，在该模式下进 行三维虚拟场景仿真的同时，显示船舶或海上浮式平台运行状态历时曲线，所 述的船舶或海上浮式平台状态包括船舶或海上浮式平台位置、艏向以及推进装 置输出力与力矩；显控台2发送的显示控制指令实现上述两种虚拟仿真模式之 间的切换。

所述的显控台2具有指令设定和数据显示功能，其操纵界面提供报警模块、 参数模块、地图模块、手动模块、功率模块、传感器模块、路线模块、参考系 统模块、目标跟踪模块、定位能力分析模块、故障分析模块和趋势图模块。

所述的数字仿真平台3采用Matlab与VC混合编程方法，实现数值模拟计 算仿真的功能。数字仿真平台3包括海洋环境模块、故障模拟模块以及动力定 位船舶及海上浮式平台运动模块。

如图4所示，一种用于海洋工程领域的动力定位系统的仿真平台的工作方 法，包括以下步骤：

A、对仿真平台进行程序初始化，初始化包括加载控制算法和构建虚拟海洋 环境；

B、显控台2设定虚拟仿真平台1的显示控制指令和数字仿真平台3的仿真 参数；

C、数字仿真平台3根据接收显控台2参数运行海洋扰动模块，并将海洋扰 动仿真数据打包发送给虚拟仿真平台1；

数字仿真平台3根据显控台2参数指令选择是否开启自动模式，若开启自 动模式，则转步骤C1；否则，转步骤C2；

C1、加载控制算法与数字仿真平台3构成闭环回路，在当前工况下开始进 行自动模式数值仿真模拟计算；转步骤D；

C2、当前模式为手动模式，通过显控台2设置控制指令，数字仿真平台3 接收显控台2控制指令在当前工况下开始手动模式数值仿真模拟计算。

D、数字仿真平台3将仿真数据包B打包发送给显控台2，仿真数据包B包 括船舶或海上浮式平台位置、艏向、推进装置输出力与力矩以及报警信号，显 控台2根据接收的数据进行相应的数据显示；同时，数字仿真平台3将仿真数 据包A打包发送给虚拟仿真平台1，仿真数据包A包括船舶或海上浮式平台位 置、艏向、推进装置输出力与力矩，虚拟仿真平台1根据接收的数据进行三维 虚拟仿真。

E、数字仿真平台3和虚拟仿真平台1根据显控台2控制指令选择是否改变 当前工况，若是，则通过显控台2设置虚拟仿真平台1和数字仿真平台3的控 制指令，进行新一轮的运行；否则，判断是否退出仿真程序，若不退出程序则 根据显控台2控制指令判断是否开启自动模式，进行新一轮的运行，否则退出 程序，结束仿真。

下面对三个平台的工作方法作进一步地描述。

1、虚拟仿真平台1的工作方法

如图2所示，虚拟仿真平台1程序初始化后，接收显控台2发出的显示控制 指令，根据显示控制指令实现两种虚拟仿真模式的切换。所述的两种虚拟仿真 模式为非历时曲线模式和历时曲线模式。虚拟仿真平台1接收数字仿真平台3 的仿真数据包A，并根据接收的数据更新船舶或海上浮式平台位置和艏向，若 在历时曲线模式则更新船舶或海上浮式平台位置和艏向的同时显示相应数据的 历时曲线。判断是否结束切换显示模式，如果切换，则程序显示模式切换到对 方显示模式下继续仿真，否则判断仿真程序是否结束，如果不结束仿真程序， 则根据接收数据包A进行相应的虚拟仿真，进行新一轮的运行，否则结束程序 退出仿真。虚拟仿真平台1通过视频线与投影设备连接，实现大屏幕投影仿真。

2、显控台2的工作方法

显控台2具有指令设定和数据显示等功能，显控台2作为船舶动力定位系 统的操纵界面提供报警模块、参数模块、地图模块、手动模块、功率模块、传 感器模块、路线模块、参考系统模块、目标跟踪模块、定位能力分析模块、故 障分析模块和趋势图模块。报警模块用于动力定位系统的故障检测及报警，在 报警窗口中，看到报警信息的级别、报警信息是否被处理、消息产生的时间和 报警消息的具体内容；参数模块完成动力定位系统参数的显示与设定功能；地 图模块完成船舶位置和航向的二维显示；手动模块显示手动控制时各推进器的 相关功能信息参数；功率模块显示各推进器消耗功率的所有信息；传感器模块 监测所有的传感器的数据，同时也通过按键选择来显示某一个特定的传感器的 详细信息、图形趋势和参数；路线模块窗口实现创建、编辑、删除和加载路线 的功能；参考系统模块实现不同种类位置参考系统所提供数据的显示功能，同 时提供显示控制按钮，根据该按钮实现不同显示模式的切换；目标跟踪模块通 过控制指令设置实现船舶或海上浮式平台对给定目标跟踪或在以该目标为中心 的范围内运行，该模块还提供单目标模式和多目标模式切换、显示所有可选目 标功能；定位能力分析模块帮助用户分析该船舶或海上浮式平台可工作的最恶 劣海况等级，并显示出分析结果的能力曲线，以此帮助用户决定最安全、合理 的对船舶或海上浮式平台的操作范围；故障分析模块分析得出当船舶或海上浮 式平台测量系统或推进装置失效的情况下船舶或海上浮式平台是否能够保持在 原位置；趋势图模块允许用户查询一段时间内设定的控制指令的历史信息。显 控台2通过指令设定控制虚拟仿真平台1的显示模式，也对数字仿真平台3中 的参数进行设置。显控台2接受来自数字仿真平台3的仿真结果数据，并按照 接受的数据进行相应的显示。

3、数字仿真平台3的工作方法

如图3所示，数字仿真平台3实现数值模拟计算仿真的功能。该平台包括 海洋环境模块、故障模拟模块和动力定位船舶及海上浮式平台运动模块。数字 仿真平台3接受显控台2的参数设置指令，根据所述的海洋环境模块计算风、 浪和流对船舶及海上浮式平台的扰动力以及海浪波高和波向角，从而实现不同 海况的模拟，为动力定位仿真建立海洋“软环境”。故障模拟模块接受显控台2 的不同故障设置指令，模拟动力定位系统的各种故障，为测量动力定位系统的 容错性提供“软平台”。动力定位船舶及海上浮式平台运动模块包括船舶运动数 学模型及其推进器数学模型，为仿真实验提供了“软对象”。

考虑到Matlab在大数据处理和分析计算发面较VC具有绝对的优势，数字 仿真平台3采用Matlab与VC混合编程方法实现。由Matlab及其Simulink编程 建立上述“软环境”、“软平台”和“软对象”，通过VC编程，数字仿真平台3 将Matlab得到的仿真结果数据打包发送给相应的其它仿真平台。数字仿真平台 3接收来自显控台2的控制指令，包括海洋环境的参数、自动和手动模式的选择、 控制目标等，根据接受的指令选择控制模式，若在自动模式下，拟验证的各种 控制算法将被嵌入到数字仿真平台3中，实现不同海洋环境下的仿真实验，验 证控制算法的有效性，同时模拟船舶或海上浮式平台的实时运行状态，并将仿 真数据包A和仿真数据包B分别打包发送给虚拟仿真平台1和显控台2。仿真 数据包A包括船舶或海上浮式平台的位置、艏向、推进装置输出的力与力矩， 虚拟仿真平台1根据所接收的数据A实现船舶或海上浮式平台的三维虚拟现实 仿真模拟；仿真数据包B包括船舶位置、艏向、推进装置的输出力与力矩以及 各种报警信息，显控台2根据接收的数据进行相应数据的显示。若在手动模式 下模拟仿真时，数字仿真平台3接受显控台2发布的模拟手动控制的指令，实 现手动控制仿真模拟。